В некоторых случаях требуется таймер, который мог бы подключать мощную нагрузку, потребляющую ток 10 А и более. Например, он может потребоваться, если у пароварки вышел из строя механический таймер, а в остальном она функционирует нормально. Для этого кухонного прибора нет необходимости в высокой точности выдержки времени. Его также можно использовать и для управления обогревателем, ограничив предельное время его работы.
Для коммутации сетевого напряжения с током 10 А и даже более можно применить тринисторы или симисторы, но в открытом состоянии падение напряжения на них, как правило, превышает 1 В (например, у симистора ТС106-10), поэтому рассеиваемая на нём мощность при токе 10 А будет более 10 Вт, что немало. К тому же у него открывающий ток управляющего электрода равен 75 мА. Можно применить полевые транзисторы. Но у высоковольтных транзисторов сопротивление канала в открытом состоянии не такое уж маленькое. У большинства распространённых и доступных, таких как, например, серий IRF, IRFB, IRFI, сопротивление открытого канала - омы и десятые доли ома. При токе 10 А на таком транзисторе выделяется мощность несколько ватт, что потребует применения теплоотвода. Конечно, есть высоковольтные транзисторы и с меньшим сопротивлением канала, но они распространены меньше и стоят дороже.
Поэтому в некоторых случаях электромагнитные реле находятся вне конкуренции, поскольку падение напряжения на замкнутых контактах существенно меньше. Обмотки большинства мощных реле питаются постоянным током, что требует соответствующего источника питания. Но существуют реле, обмотки которых питаются переменным током, а если обмотка рассчитана на напряжение 230 В или 220 В (в соответствии со старым ГОСТом), то это упрощает управление. Например, для этого можно применить маломощный высоковольтный симистор. Если от таймера не требуется высокой точности, в нём можно применить времязадающие узлы на основе RC-цепей.
Рис. 1. Схема таймера для мощной нагрузки
Эти элементы и были применены в таймере для мощной нагрузки, схема которого показана на рис. 1. Он содержит немного деталей и может обеспечить выдержку времени до нескольких дней. Узел питания устройства собран на диоде VD1, токоограничивающих резисторах R5, R6, сглаживающем конденсаторе С2 и светодиоде HL1 "Сеть", который выполняет функции стабилизатора напряжения (около 3,3 В) и индикатора наличия напряжения сети. Времязадающий элемент - модуль С005 [1, 2], который и формирует указанный временной интервал. Плавное изменение времени выдержки от 1 мин до 5 мин осуществляется переменным резистором R2, а от 0 до 57 мин - переменным резистором R1. При этом время выдержки суммируется, в результате суммарная выдержка будет от 1 мин до 62 мин. Устанавливая перемычки на плате модуля С005, максимальное время выдержки можно изменять от нескольких секунд до нескольких десятков часов.
На транзисторе VT1 собран инвертор выходного сигнала модуля А1. Для коммутации мощной нагрузки использовано реле К1, обмотка которого питается переменным напряжением сети. Здесь применено реле РПУ-0 ТУ 16.523.295-7-220 [3, 4], обмотка которого рассчитана на питание переменным напряжением 220 В, а один контакт позволяет коммутировать ток до 6 А [4]. В результате суммарный ток трёх параллельно соединённых контактов окажется в три раза больше. Для подачи питающего напряжения на обмотку реле служит симистор VS1 серии BT131 [5]. Светодиод HL2 сигнализирует о том, что на управляющий вывод симистора подано открывающее напряжение.
Таймер работает так. После подачи питающего напряжения конденсатор C2 заряжается до напряжения около 3,3 В, номинального для светодиода HL1, который светит. Это напряжение через конденсатор С1 поступает на вход "Start" модуля A1, и его запуска не происходит. На выходе "Out" модуля А1 - высокий уровень напряжения, поэтому транзистор VT1 закрыт. Симистор VS1 не открывается, в результате реле и нагрузка обесточены. Для запуска таймера достаточно нажать на кнопку SB1. При этом на вход "Start" модуля А1 поступает низкий уровень напряжения, и начинается отсчёт времени. На выходе "Out" модуля А1 появляется низкий уровень напряжения, транзистор VT1 открывается, через светодиод HL2 и управляющий электрод симистора протекает ток, поэтому последний открывается, на обмотку реле поступает питающее напряжение, и его контакты замыкаются - на нагрузку подаётся напряжение сети.
По окончании времени выдержки на выходе "Out" модуля А1 появляется высокий уровень напряжения, транзистор VT1 закрывается, симистор открываться не будет, реле обесточит-ся и нагрузка окажется отключённой от сети. Для повторного запуска таймера надо кратковременно нажать на кнопку SB1.
Рис. 2. Чертёж печатной платы устройства и размещение элементов на ней
Большинство элементов установлены на печатной плате из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита толщиной 1,5...2 мм. Чертёж платы показан на рис. 2. Монтаж элементов проводят со стороны печатных проводников (без отверстий). На другой стороне платы (верхняя на рис. 2) оставлена металлизированная площадка, которая через единственное отверстие соединена с минусовой линией питания модуля А1. Эта площадка выполняет роль экрана и защищает модуль А1 от наводок от сетевых проводов. Реле приклеивают к плате со стороны установки элементов.
В таймере можно применить постоянные резисторы МЛТ, С2-23, переменные резисторы - СП3-9а, СПО, СП4-1, оксидный конденсатор - К50-35 или импортный, остальные - керамические импортные или отечественные К10-17. Диод - любой выпрямительный с максимальным прямым током не менее 50 мА и допустимым обратным напряжением не менее 400 В. Транзистор - любой из серии КТ3107. Светодиод HL1 должен быть сверхъяркий белого (или фиолетового, как в авторском варианте) свечения с диаметром корпуса 3...5 мм, светодиод HL2 - также сверхъяркий, обязательно красного свечения с диаметром корпуса 3.5 мм. Кнопка - КМ1-1 или аналогичная, рассчитанная на работу при напряжении сети 230 В. Вид смонтированной платы показан на рис. 3.
Рис. 3. Вид смонтированной платы
В качестве корпуса использован пластмассовый контейнер размерами 105x103x44 мм от гибких дисков. Контейнер покрашен чёрной краской, но его можно оставить и прозрачным. На верхней стороне корпуса установлены переменные резисторы, кнопка, а в отверстиях - светодиоды. На задней стороне установлено гнездо для подключения нагрузки и сделано отверстие для сетевого провода. Внешний вид устройства показан на рис. 4.
Рис. 4. Внешний вид устройства
Следует отметить, что основным потребителем тока, который втекает в устройство (не считая реле), является симистор VS1, а точнее, ток, необходимый для его открывания, т. е. протекающий через управляющий электрод. Симистор BT131-600, который применён в устройстве, гарантированно открывается при токе управляющего электрода 7 мА, а номинальный ток - 3,8 мА. Поэтому для повышения экономичности устройства надо, чтобы большая часть тока, который задают резисторы R5, R6, попадала в управляющий электрод симистора. Для этого резистор R7 подбирают так, чтобы при вклю чении таймера (включении светодиода HL2) светодиод HL1 светил слабо. В большинстве случаев взамен этого резистора можно установить проволочную перемычку, кстати, с этого можно начать монтаж элементов. Кроме того, желательно, чтобы номинальное напряжение светодиода HL2 (обязательно красного свечения) было как можно меньше. В этом случае при его включении светодиод HL1 "Сеть" может почти погаснуть.
Дальнейшее налаживание сводится к установке требуемого интервала регулировки времени задержки, для этого можно использовать информацию о модуле С005, приведённую в [1] или в Интернете. Максимальную выдержку будет определять суммарное сопротивление переменных резисторов и наличие или отсутствие перемычек на выводах 7 и 8 модуля А1. Следует учесть, что суммарное сопротивление более 5 МОм или менее 10 кОм может привести к повышенной нестабильности времени выдержки. Чтобы иметь возможность установки как небольшой выдержки, так и максимальной, следует применить два переменных резистора, разница в сопротивлении которых должна быть 10...20 раз.
Отдельная проблема - градуировка шкал переменных резисторов. Для больших выдержек такая градуировка с реальным измерением времени становится мучением. Поэтому можно предложить такой вариант. В уже собранную конструкцию устанавливают частотозадающий резистор R сопротивлением около 100 кОм, предварительно измерив его как можно точнее. После запуска таймера измеряют получившееся время выдержки Т и рассчитывают крутизну регулировки S = R/T. Затем надевают на переменный резистор ручку-указатель и устанавливают его в положение с сопротивлением, соответствующим желаемому времени выдержки, рассчитанному в соответствии с приведённым выше выражением, и делают отметку. Затем разрабатывают шкалу с помощью графического редактора и распечатывают её. После этого шкалу можно заламинировать.
Следует отметить, что у модуля С005 в качестве частотозадающего использован RC-генератор на логических элементах, что не может обеспечить высокой стабильности и точности установки времени выдержки. Поэтому не стоит ожидать точности лучше 5 %.
Поскольку у применённого реле контакты переключающиеся, таймер можно сделать как с задержкой выключения, так и с задержкой включения нагрузки, для этого на задней стенке можно установить ещё одно дополнительное гнездо.
При налаживании и проверке таймера особое внимание следует обратить на выполнение правил техники безопасности, поскольку элементы устройства находятся под напряжением сети 230 В.
Литература
1. Нечаев И. Модуль таймера С005 и конструкции на его основе. - Радио, 2021, № 6, с. 58-62; № 7, с. 55-58.
2. Нечаев И. Таймер с независимой установкой режимов "Пауза" и "Работа". - Радио, 2021, № 8, с. 35-37.
3. РПУ-0. - http://museumrza.ru/ jeksponaty/Rele_promezhutochnye/rpu0 (08.09.21).
4. Реле РПУ-0. - URL: https://sudovoe-snab.ru/rele-rpu-0/ (08.09.21).
5. BT131 series. Triacs logic level. - URL: https://static.chipdip.ru/lib/301/DOC0003 01624.pdf (08.09.21).
Автор: И. Нечаев, г. Москва